75-學術專欄：王福年老師專文
學術專欄：跨領域核磁共振研究，解答活體植物養份運輸關鍵問題
◎文／生醫工程與環境科學系王福年副教授、生物資訊與結構生物研究所劉姿吟助理教授
電影星際效應Interstellar描述未來的地球已逐漸不適合農作物的生長，糧食危機讓全世界人口銳減，更無多餘經濟能力研究科學與工程技術。電影開頭，男主角馬修麥康納飾演改行種田的太空人，拍著女兒的中學老師的桌子說”如果當初這個國家的工程師能留下一種叫做Magnetic Resonance Imaging的技術，我太太就可以早點發現身體裡的腫瘤了!”，的確，醫學影像診斷技術已是醫生倚賴的重要工具，現代醫生大概很難想像只能靠聽診器看診時的世界會是怎麼樣。不過，我們可以試著從另一個角度想像未來，有沒有可能，如果當初留下核磁共振之類的技術，可能也因此有機會解決未來世界的糧食問題?
也許以下的跨領域學術研究分享，可以當作您回答這個問題的參考。(也許讀者們之中有人是未來的民生與科技預算決策者，當您在刪減科學研究經費時，也許能多考慮一下?) 事實上，未來的糧食危機並非不可能發生，這與一件事實很有關：地球上的磷礦已經逐漸短缺，專家估計，大約在一至二世紀內即將用罄，Nature期刊2009年的文章中，以phosphate crisis(磷酸鹽危機)形容此事實，文中訪問的農業專家說”我已經開始想像未來磷礦成為各國的策略性物資了”，因為，磷礦是現行農業肥料中的主要成份之一：無機磷的唯一來源，磷是植物的必需元素，但在土壤中則以無機磷酸鹽(以下簡稱磷酸)的型式被植物吸收，一旦使用後，有機的磷元素即不能再回收利用了。因此近年來，植物體內磷的相關問題已受到生物學家的重視，不過，目前科學了解的還很有限，尤其是在體內無機磷的儲存與運輸上，長達半個世紀之久，科學家知道植物體內將近七成以上的磷酸位於液泡中，卻未能找到負責轉運磷酸進出液泡的膜蛋白。液泡是植物細胞中最大的胞器，不僅可以暫時儲存光合作用產物(例如:蔗糖、果糖)和次級代謝物 (例如:花青素、麩胱甘肽)，還參與了調控細胞質內許多離子濃度的恆定性。主要的瓶頸歸因於無法透過生物資訊方法在植物基因庫中比對出與已知植物磷酸膜蛋白序列相似度高的膜蛋白。
這個問題最近終於有了突破。在今年3月31日發表的自然通訊期刊文章中，由中研院農業生物科技中心邱子珍研究員與本校生物資訊與結構生物研究所的劉姿吟助理教授、生醫工程與環境科學系王福年副教授和政治大學應用物理所蔡尚岳副教授所組成的跨領域團隊，首次利用林口長庚醫院分子轉譯影像中心7T-MRI核磁共振造影儀所產生的核磁共振頻譜，“看見”植物模式生物—阿拉伯芥幼苗中細胞質和液泡中的磷酸含量。早在二十多年前，科學家曾經嘗試使用核磁共振觀察活體植物，然而，長時間偵測植物活體內磷酸必須仰賴置入含氧的營養液循環系統以利於NMR(核磁共振光譜儀) 讀取植物懸浮細胞的核磁共振頻譜，實驗設計較複雜，如今已少有人使用。劉姿吟、王福年、蔡尚岳老師和清大醫環系博士班學生黃聖閔藉由實驗設計上的創新，不僅以MRI儀器偵測阿拉伯芥野生株中的細胞質磷酸含量，更進一步證實SPX-MFS (SYG1/PHO81/XPR1-Major Facilitator Superfamily) 基因家族為科學家尋覓已久的第五型植物磷酸轉運蛋白(Phosphate Transporter 5; PHT5) (圖一)。研究中指出，缺乏整個第五型植物磷酸轉運蛋白家族(PHT5;1-PHT5;3)突變株，會造成較多磷酸累積在細胞質中。相反的，大量表現此液泡磷酸轉運蛋白則導致細胞質中的磷酸含量下降，破壞細胞質磷酸濃度恆定性(圖二)。即使在外界環境提供足量的磷酸來源之下， 此植株仍感應到細胞內缺乏磷酸，進而誘發與缺磷反應相關的基因群。
王福年老師表示，參與這個跨領域研究其實是起始於生科院前院長潘榮隆老師的一通來電，詢問對植物完全陌生的王老師有沒有可能幫忙用核磁共振解決測量植物液泡內無機磷的問題。王老師的實驗室主軸在於發展量測大腦血流與神經活動連結的影像技術，但是也曾經嘗試將水果、蔬菜放到磁振造影儀裡，作為學生練習的掃描對象。掃瞄出的影像不但漂亮，實驗後還可以帶回家吃，所以覺得掃描植物是個好吃又好玩的主意。沒想到這次與植物領域專家合作，將分子影像技術應用在植物學上，居然可以順利地獲得重要的突破。一般醫院的人體磁振造影儀都是以氫原子核的磁場訊號成像，但除了氫原子核，還有其他的核種也可以提供核磁共振訊號，例如在研究用的高磁場磁振造影儀上就常用碳－13來觀察動物體內細胞代謝的資訊。此研究中使用磷－31的核磁共振頻譜技術來量測植物液泡與細胞質內的無機磷含量。液泡和細胞質內的酸鹼值不同而使得共振頻率上的化學位移有所差異，因此可以區分出兩者的無機磷含量。核磁共振是一項沒有游離輻射的原子科學應用，儘管磁振造影儀的影像解析度無法達到細胞層級，但卻可以藉由間接資訊來證實細胞或分子層級所發生的機轉。近年來，分子影像科技蓬勃發展，對生物醫學領域帶來許多重要的貢獻。
劉姿吟老師表示，利用磁振造影儀偵測植物無機磷含量的前半年，都只是在不斷地調整實驗設計以期達到偵測條件的最佳化。在跨領域合作的過程中，研究人員必需讓雙向溝通跳脫既有的專業用語，然後循序、明確地建立解決問題的方向，而且也需要具備經歷多次失敗卻不氣餒的信心和勇氣。
自二十世紀中期以來的綠色革命，藉由使用含有氮、磷、鉀等化學肥料提高了農作物的產量。雖然植物可以透過微生物從空氣中取得氮的來源，人類卻必須開採磷礦和鉀礦以提供磷、鉀元素。目前世界的鉀礦充足，但預估磷礦只能維持一到兩個世紀之用。藉由基礎科學研究來探討液泡磷酸轉運蛋白如何在因應外界低磷環境或內部代謝變化之下調控磷酸進出液泡，將促使人類了解並改良農作物可以更有效地運用植物體內的磷酸作為生長之需。本研究成果也同時揭開研究液泡磷酸轉運蛋白的新領域，希望在未來可以透過對此膜蛋白的分子研究，幫助日後能降低對農地施加磷肥的用量、減少環境土壤的污染，以達到農業永續經營的目標。